Диссертация (1024691), страница 22
Текст из файла (страница 22)
В «низкотемпературных» системах подключение концов проволочногоградиентометра к входной катушке СКВИДа осуществляется с использованиемприжимных контактов к ниобиевым терминалам, или при помощи пайки сиспользованием сверхпроводящих припоев.
Таким образом обеспечиваетсясверхпроводящий контакт градиентометра и входной катушки. К проводам изВТСП-материалов оба этих способа обеспечения сверхпроводникового контакта свходной катушкой СКВИДа оказались неприменимы.Поиски альтернативных подходов реализовать аксиальный градиентометрпривели к идее использования так называемых «электронных» способов, когдадля подавления внешнего магнитного шума градиентометрический сигналформируется комбинацией выходных сигналов нескольких магнитометров,расположенных на одной оси. В этом случае используют один «сигнальный»(регистрирующий) магнитометр и один или более референтных магнитометров.
Вкачестве референтных магнитометров могут применяться либо СКВИДмагнитометры, либо магнитометры любого другого типа. При этом приемные131витки референтного и «сигнального» магнитометров необходимо разместить впараллельных плоскостях, чтобы после вычитания сигнала, измеряемогореферентным магнитометром, из выходного сигнала регистрирующего СКВИДмагнитометра получить сигнал, пропорциональный градиенту магнитного поляпервого порядка.
Измерение градиентометрического сигнала 2-го порядка можновыполнить с помощью трех ВТСП-СКВИДов. Результирующий сигнал в такойсхеме формируется электронным образом из выходных сигналов каждого измагнитометров по формуле: A B B C A B Cгде А, В, С, - выходные сигналы с трех СКВИД-магнитометров,(3.13), , -подстроечные коэффициенты.Схемы так называемых «электронных» градиентометров обычно и реализуют вслучае использования ВТСП-СКВИД-магнитометров. При этом наиболее частоиспользуют схему из трех СКВИД-магнитометров, и вычисляют разницу ихвыходных сигналов с помощью полупроводниковой электроники.
Известны дватипа градиентометров, базирующихся на трех ВТСП-СКВИД-магнитометрах:градиентометр 1-го порядка с референтным СКВИДом [125] (рисунок 3.17 а), иградиентометр 2-го порядка [122] (рисунок 3.17 б).Для формирования аксиального "электронного" градиентометра СКВИДмагнитометры размещают в измерительном зонде на одной вертикальной оси смаксимально возможной параллельностью приемных петель трансформаторовпотока СКВИД-магнитометров. Расстояние между датчиками фактическиявляется базой градиентометра. Выходным сигналом такого градиентометраявляетсярезультирующийсигнал,составленныйизвыходныхотдельных магнитометров и соответствующий формуле (3.13).сигналов132а)б)Рисунок 3.17 – Блок-схемы электронного градиентометра 1-го порядка среферентным датчиком (а) и электронного градиентометра 2-го порядка (б),состоящие из трех СКВИД-магнитометров3.4.3 Практическая конструкция измерительного зонда градиентометра наоснове трех ВТСП-СКВИД-магнитометровДляпрактическойреализации«электронного»градиентометрабылииспользованы три ВТСП-СКВИД-магнитометра типа HTM-8, изготовленные вИсследовательскомЦентреЮлих,Германия.Онибылиразмещенывизмерительном зонде цилиндрической формы, изготовленном из немагнитныхпластиковыхматериаловснизкимикоэффициентамитемпературногорасширения.
СКВИД-магнитометры располагались на оси измерительного зондатаким образом, чтобы плоскость приемных витков трансформаторов потокаСКВИД-магнитометровбылаперпендикулярнаосизонда,обеспечиваямаксимальную их параллельность. Каждый из ВТСП-СКВИД-магнитометроврасполагался на специальной немагнитной площадке, причем площадки среднегоиверхнегомагнитометраимеливозможностьповоротавдвухвзаимоперпендикулярных плоскостях на несколько градусов. Поворот площадокосуществлялся с использованием четырех специальных немагнитных винтовых133тяг (по две на каждый магнитометр), пропущенных внутри зонда и закрепленныхв верхней его части. Такая конструкция обеспечивала возможность выставитьплоскости приемных витков среднего и верхнего магнитометров параллельноплоскости приемного витка нижнего магнитометра, т.е.
сделать их соосными понаправлению Z [126].Расстояние между СКВИД-магнитометрами составляло 50 мм и фактическиопределяло базу градиентометра. Таким образом, конструкция из трех ВТСПСКВИД-магнитометровпредставлялаградиентометрическоготрансформатораизсебямагнитногоаналогпотока2-госхемыпорядка,используемого в низкотемпературных СКВИД-системах (рисунок 3.18 а,б).Диаметр измерительного зонда, в котором монтировались ВТСП-СКВИДмагнитометры, был равен 40 мм. Зонд со СКВИД-магнитометрами закреплялсявертикально в стеклопластиковом немагнитном криостате. Практический вариантнижнейчастиградиентометрастремяВТСП-СКВИД-магнитометрамипредставлен на рисунке 3.19.В схеме разработанного «электронного» градиентометра на базе трех ВТСПСКВИДовбылреализованкомбинированныйвариантмеханическойиэлектронной балансировки системы в однородном магнитном поле.
Для еепроведения криостат с работающими СКВИД-магнитометрами размещался вкатушках Гельмгольца в зоне однородного магнитного поля таким образом,чтобы плоскость приемного витка нижнего магнитометра была перпендикулярнанаправлению Z системы катушек. Процедура настройки рабочих режимов всехтрех СКВИД-магнитометров была аналогична изложенной в п..3.3.1. дляградиентометров гелиевого уровня охлаждения.Однако последовательностьзадания однородного магнитного поля системой катушек Гельмгольца покоординатам X, Y, и Z была иной по сравнению с процедурой балансировкиградиентометров гелиевого уровня охлаждения.134а)б)Рисунок 3.18 – Схема расположения трех ВТСП-СКВИД-магнитометров визмерительном зонде, имеющем механическую систему балансировки (а).
Длясравнения приведена схема приемного трансформатора потока в формеаксиального градиентометра второго порядка из сверхпроводящей проволоки (б)135Рисунок 3.19 – Внешний вид конструкции нижней части измерительного зондас тремя ВТСП-СКВИД-магнитометрамиВначалеоднородноемагнитноеполегоризонтальных направлениях X и Y.последовательносоздавалосьвИзменяя положение криостата сизмерительным зондом относительно оси Z системы катушек, добивалисьминимизации выходного сигнала с нижнего магнитометра по полю, заданному внаправлениях X и Y. Таким образом совмещалась плоскость его приемного витка с136плоскостью XY системы катушек. Криостат фиксировался в указанном положенииотносительно системы катушек.
Далее, использованием поворота плоскостейприемных витков (с помощью винтовых тяг поворачивали подвижные площадки смагнитометрами) среднего и верхнего магнитометров добивались минимизацииих выходных сигналов по полю, заданному в направлениях X и Y. Таким образомустанавливалась параллельность приемных витков всех трех магнитометров.Затем тестовый сигнал переключался в катушки создания однородногомагнитного поля по направлению Z, и дальнейшие манипуляции с выходнымисигналами трех ВТСП-СКВИД-магнитометров проводились «электронно». Цельюэтих манипуляций являлась минимизация результирующего выходного сигналамагнитометрической системы (3.13), т.е. ее балансировка по однородному полю,созданному в направлении Z.3.4.4 Схемотехническая реализация «электронного» градиентометраОсновной частью блока «электронного» градиентометра являлась схемаалгебраического сложения аналоговых сигналов выходов трех ВТСП-СКВИДмагнитометров. С выходов каждого из трех СКВИД-магнитометров сигналыпоступаливдифференциальномвиденаоперационныеусилители,преобразующие сигналы в униполярные с возможностью отображения каждого изних на осциллографе.
Сложение сигналов в «электронном» градиентометрепроизводилось с использованием малошумящих операционных усилителейOPA2227. Подстроечные коэффициентыуправляемогоотпреобразователя(ЦАП).«электронного»градиентометра , , изменялись с использованиеммикроконтроллераПри12-битногопредварительной(безцифроаналоговогонастройкеиспользованияданнойвыходныхсхемысигналовмагнитометров) на три входа схемы подавался одинаковый гармонический сигнална разных частотах.
Экспериментально было установлено, что реализованнаясхема алгебраического сложения трех сигналов по формуле (3.13) даетослабление гармонического сигнала на уровне 60 дБ в полосе от 0 Гц до 15 кГц. С137выхода электронного градиентометра сигнал в аналоговом виде, пройдя черезсерию фильтров, мог быть отображен на осциллографе и параллельно поступал на24-битный аналого-цифровой преобразователь (АЦП).Помимо реализации «электронного» градиентометра второго порядка, в блокеимелась возможность вычитания сигнала одного магнитометра из другого науровне катушек обратной связи СКВИДов.
Это давало возможность вычестьсигналотверхнегоСКВИД-магнитометраиздвухдругих,асистему«электронного» градиентометра настроить, как градиентометр первого порядка.Таким образом, помимо системы «электронного» градиентометра второгопорядка, в разработанном блоке можно было реализовать и схему градиентометрапервого порядка с референтным СКВИДом.Система цифрового управления системой «электронного» градиентометраявляласьдвухступенчатой.ЭлектроникакаждогоизВТСП-СКВИД-магнитометров управлялась с помощью микроконтроллера ATmega169 на базеядра AVR с помощью команд в форме последовательного кода. Этот жемикроконтроллер управлял работой системы сложения сигналов от трехмагнитометров для получения градиентометрического сигнала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
